中国科学院战略性先导科技专项(B类)

土壤-微生物系统功能及其调控

项目 - 课题3:典型森林土壤微生物空间格局及驱动机制

课题3:典型森林土壤微生物空间格局及驱动机制

核心科学技术问题:

  1. 森林土壤微生物是否存在水平和垂直地带性分布规律;
  2. 不同尺度下森林土壤微生物地理分异规律及其驱动机制;
  3. 土壤微生物多样性对典型森林土壤生态系统功能的影响规律。

 

解决问题的思路与方法:

沿我国南北水热梯度带,以中国主要五大气候带林区(寒温带针叶林区域、温带针阔混交林区域、暖温带落叶阔叶林区域、亚热带常绿阔叶林区域和热带季雨林区域)分布为基础,依托CERN森林台站并向台站四周辐射与网格法相结合选取研究样点,采用高通量测序、磷脂脂肪酸、实时荧光定量PCR等方法研究全国典型森林生态系统土壤微生物多样性和群落结构组成的水平和垂直地带性分布规律,绘制我国森林土壤微生物主要优势类群和功能基因丰度空间分布图;结合空间分析方法和环境因子数据(降水、气温、森林植被、土壤状况等),揭示我国森林土壤微生物多样性和群落组成在不同空间尺度下的地理分异规律及其驱动机制。在生态系统水平和微域水平上,通过联网研究,探讨我国不同气候带代表性森林土壤微生物群落组成和分布格局对森林植被演替、森林管理(火烧、采伐、施肥等)和全球气候变化(CO2浓度升高、氮沉降)的响应。

 

技术路线:

沿水热梯度带以我国典型的森林类型,包括寒温带针叶林、温带针阔混交林、暖温带落叶阔叶林、亚热带常绿阔叶林、杉木林和马尾松林、西南高山针叶林、热带雨林等类型为研究对象,以CERN等院内外森林野外台站为重要依托,从主要森林土壤中采集2000个样品,在每个样点内从土壤表层(0-10 cm)进行多点取样后混合。通过高通量测序、PCR、PLFA等方法研究微生物的群落组成、多样性和重要功能基因的丰度,分析多尺度下土壤微生物水平和海拔垂直空间地理分布格局及其与环境因子的关系;通过西双版纳站、鼎湖山站、神农架站、长白山站等野外森林台站的联网研究,探讨我国不同气候带典型森林土壤微生物群落组成和分布格局对森林植被演替的响应。本课题的技术路线如图17所示。

 

主要研究内容:

1. 我国典型森林土壤微生物的水平和垂直地带性空间分布格局

研究我国典型森林土壤微生物组成、功能基因在样地、林分、区域和全国等不同尺度上的分布规律;在多尺度下分析土壤微生物水平空间分布格局与气候、植被类型和土壤理化性质等的相互关系,确定在不同尺度下土壤微生物组成和多样性分布规律的控制因子和驱动机制。结合不同气候带典型森林样带,研究土壤微生物群落组成和多样性随海拔梯度的垂直分布格局及在不同气候带的变异规律;比较“大型生物”与“微生物”的垂直分布模式是否一致及其耦合关系;综合环境因子数据,分析植被-环境因子-微生物的关联,揭示微生物随海拔梯度分布模式的驱动机制

2. 土壤微生物群落组成和分布格局对森林植被演替的响应

调研森林生态系统演替过程中处于不同演替阶段的植物群落多样性、凋落物化学组成、土壤微生物群落组成和功能、土壤有机质含量和周转速度等指标的变化特点;森林生态系统在演替过程中,输入的植被凋落物和微生物群落结构和多样性对土壤有机质分布和滞留时间的影响;微生物群落随森林生态系统演替的潜在变化规律,微生物功能群和优势种对土壤养分库稳定性的影响,以及死亡微生物残体对土壤有机质库的贡献程度;综合多种影响因素模拟和建立不同森林生态系统演替序列中相关微生物过程对土壤有机质动态变化的调控模型。

3. 我国典型森林土壤微生物组成和多样性对全球变化和森林管理的响应

依托我国主要森林野外台站火烧、森林采伐与间伐、施肥、纯林连栽与针阔混交等长期试验样地的联网研究,通过在生态系统水平和微域水平上对典型森林土壤微生物组成和多样性的联网研究,分析土壤微生物组成与多样性响应的机理,探讨我国森林土壤微生物组成、多样性对森林经营活动的响应及机理,揭示人类活动如何直接和间接改变土壤微生物组成和多样性;结合自然条件下形成的沉降梯度样带和氮沉降受控试验平台,测定氮沉降对土壤微生物的多样性及结构的影响,分析土壤理化性质(pH、碳、氮、磷总含量、有效氮和有效磷含量等)、植被状况(主要物种组成和林冠状况)和气象因子(年降水量和年均气温等)地理因子(经纬度、海拔、坡向、坡度、坡位等)对微生物群落结构变异的贡献;在不同的森林土壤中模拟CO2升高引起的凋落物(碳输入)增加,对土壤微生物的产生的影响及其驱动因子。

 

方向设置与团队分工:

本课题设置3个方向,分别设置一个子课题。

子课题1:典型森林土壤微生物组成及水平空间分布格局,负责人为中国科学院沈阳应用生态研究所王清奎研究员;

子课题2:典型森林土壤微生物多样性和组成沿海拔垂直分布格局,负责人为中国科学院沈阳应用生态研究所李慧副研究员;

子课题3:土壤微生物群落组成和分布格局对森林植被演替的响应,负责人为中国科学院沈阳应用生态研究所梁超研究员。

 

年度目标:

年度 年度目标
2014 确立研究方案、统一采样方法及人员培训、调查林地基本概况(植被组成、林龄、密度、郁闭度等)、气候因子(温度、降水)、地理因子(经纬度、海拔、坡度、坡向等);开始部分样品采集。
2015 全部完成土壤样品采集和植被等调查工作,分析所采集土壤样品理化性质;约需完成1000份土壤样品采集和理化性质测定工作。
2016 提取土壤基因组DNA,统一采用高通量测序分析2015年和2016年所采集土壤样品的微生物群落结构组成;研讨微生物群落组成及生物多样性格局的数据展示方式及空间分布特征分析。
2017 测定土壤生命标志物(如PLFA)及微生物其它指标,综合已有数据及观测结果,讨论分析,撰写相关研究论文,及时解决存在的问题,补充实验及继续调查。
2018 根据实验目的继续补充部分实验;整合我国南北方不同气候带典型森林生态系统环境因子、植被和微生物群落组成数据,构建数据库及可视化查询系统;在全国尺度上绘制我国典型森林土壤微生物群落优势种类和功能基因分布图;撰写论文和结题报告。
五年成果
具体体现
绘制我国典型森林土壤微生物群落及微生物格局分布图,明确微生物群落微域分布特征、演替规律及其与全球变化的关系;构建我国森林土壤基础指标数据库及微生物组成空间数据库,培养优青/杰青1-3名、研究生20-25名;发表SCI论文15-20篇,争取顶级期刊(如Nature、Science、PNAS)论文1-2篇。